Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Цементация ствола скважины под давлением

При бурении окважин на воду нередко встречаются пропла — сгки мергеля, мергелистой глины и доломита, мощностью от 2 до 15 м.

Сухой мергель и мергелистая глина — устойчивые породы, но при соприкосновении с жидкостью разрушенные мергель, мергелистая глина и глинистые доломиты разбухают, сползают со стенок скважины и образуют уплотнения над долотом, пре­пятствующие подъему бурильного инструмента из скважины. При этих обстоятельствах попытки извлечь бурильный инструмент часто приводят к еще большему его затягиванию, потере цирку­ляции и даже к авариям, на ликвидацию которых затрачивается большое количество времени (от недели до нескольких месяцев*). Прихваченный разбухшей породой бурильный инструмент при­ходится обуривать колонной обсадных труб.

Для борьбы с оплыванием и оползанием пород со стенок скважин на транспорте применяется цементация ствола скважи­ны под давлением (рис. 9). Производится это следующим обра­зом. Пробурив толщу мергелей или доломита, через бурильный

инструмент на забой скважины закачи­вают цементный раствор. Объем закачи­ваемого в сюважмну цементного раствора должен быть «а 30—40% больше объема выбуренной породы. Затем из скважины извлекают бурильный инструмент и за­качиванием воды через заливочную голов­ку, навернутую на устье обсадной трубы, производят давление на цементный раст­вор, находящийся в скважине. По коли­честву закачанной в скважину воды судят о перемещении цементного раствора в за­бой и стенки скважины.

Цементный раствор, проникший под давлением в стенки скважины и затвер­девший там, предохраняет последние от разбухания и оползания. Поэтому после разбурш цементной пробки обычно явле­ний оползания и оплывания стенок не на­блюдается.

Цементация стенок скважины обеспе­чивает в дальнейшем беспрепятственную обсадку труб и гарантирует затрубную под давлением цементацию ствола сква­жины.

Цементация трещин

Одним из требований, предъявляемых к скважинам, бурящимся на воду, явля­ется обеспечение в них изоляции водонос­ных горизонтов друг от друга. Пройден­ные вращательным бурением водоносные горизонты изолируются обсадными труба­ми от нижележащих водоносных горизон­тов, подлежащих эксплуатации. Изоляцию осуществляют при по­мощи затрубной под давлением цементации обсадных труб с подъемом цементного раствора за башмак колонны на необхо­димую высоту.

Для качественного выполнения цементации необходимо на­личие в скважине затрубной циркуляции глинистого раствора. Поэтому, пробурив скважину до кровли эксплуатационного во­доносного горизонта и обсадив ее трубами, на устье скважины надевают заливочную голорку и в скважину закачивают глини — 22

стый раствор. Появление глинистого раствора на дневной по­верхности за обсадными трубами обеспечивает дальнейшую качественную под давлением цементацию скважины.

Рис. 10. Схема цементации трещин

В трещиноватых породах, полностью поглощающих промы­вочную жидкость, невозможно осуществить затрубную под дав­лением цементацию скважины, так как закачанный в скважину цементный раствор при продавливании его за обсадные трубы поглотится трещинами водоносно­го горизонта, не достигнув требу­ющейся по проекту высоты.

Поэтому, как только цирку­ляция промывочной жидкости пре­кратится, немедленно приступают к ее восстановлению. Последнее ■в большинстве случаев достигает­ся трамбовкой ствола скважины глиной. Однако трамбовка тре­щин глиной не всегда дает поло­жительные результаты: в. процес­се дальнейшего бурения глина размывается циркулирующей в скважине промывочной жид­костью, и трещины вновь вскры­ваются.

При производстве бурения на транспорте был применен метод восстановления циркуляции про­мывочной жидкости, заключаю­

щийся в цементации трещин (рис.

10). Для этого, как только цирку­ляция промывочной жидкости пре­кратится, скважину углубляют

бурением на 2—3 м. Затем, не •поднимая бурильного инструмента на поверхность, закачивают на забой скважины необходимое ко­личество цементного раствора,

после чего бурильный инструмент извлекают из скважины.

Цементный раствор устанавливается на верхней грани тре­щины и полностью ее заполняет. Спустя три дня цемент разбу­ривается. Если циркуляция промывочной жидкости не восста­новилась, следует повторить цементацию трещин.

Практика буровых работ показала, что цементация трещин способствует восстановлению циркуляции промывки и обеспечи­вает в дальнейшем качественное выполнение затрубной цемен­тации под давлением.

Обсадка скважин трубами является одной из основных опе­раций при сооружении скважин на воду. Она производится для предохранения стенок скважин от обвалов и для изоляции водо­носных горизонтов друг от друга.

Для беспрепятственной обсадки скважины трубами необхо­димо, чтобы ось скважины была вертикальной, ствол ее был свободен от выбуренной породы и обсадные трубы при соедине­нии друг с другом при помощи муфт не имели искривлений.

При ударном бурении обсадка скважин трубами в большин­стве случаев производится в процессе бурения. При вращатель­ном бурении обсадка скважин производится, как правило, через диаметр по окончании бурения.

Для крепления скважин применяются обсадные трубы, изго­товляемые для нужд нефтяной промышленности (ГОСТ 632—50). Эти трубы рассчитаны на крепление глубоких окважин и имеют соединительные муфты с утолщенными стенками, которые, на­чиная с труб диаметром 10" и выше, не позволяют свободно пропускать колонну труб в колонну смежного диаметра. Между тем для крепления скважин ударного бурения, глубина которых не превышает 200 м, можно применять обсадные трубы и с тонкостенными муфтами, позволяющими пропускать колонну труб в колонну смежного диаметра. Однако заводы не вы­пускают труб с тонкостенными муфтами, поэтому организации, производящие ударное бурение на воду, вынуждены сами обта­чивать муфты. На выполнение этой работы затрачивается много времени и усилий. Так как не всегда возможно обточить муфты, на большом количестве скважин ударного бурения производят обсадку труб через диаметр, что в большинстве случаев ведет к усложнению конструкции скважин за счет увеличения началь­ного диаметра труб.

Бурение ударных скважин долотами большого диаметра влечет удорожание скважин, увеличение сроков бурения и из­лишние затраты металла. Обсадка окважин трубами через диа­метр ведет также и к уменьшению диаметра эксплуатационной колонны труб и фильтра, что отрицательно влияет на установку глубинных центробежных насосов.

Практика бурения скважин подтвердила, что обсадку труб смежных диаметров в скважинах на воду можно осуществлять не только при ударном, но и при вращательном бурении.

На одной из подмосковных железнодорожных станций про­ектом предусматривалось по окончании бурения оборудовать скважину центробежным насосом типа АТН-10. С этой целью необходимо было известняки среднего карбона изолировать от водоносных известняков нижнего карбона эксплуатационной — колонной труб диаметром 10", спускаемой на глубину 238 м.

Скважина была начата ударным бурением и на глубине 98 м была обсажена четвертой колонной труб диаметром 12". Стало очевидно, что при ударном методе бурения не удастся со­хранить эксплуатационную колонну труб диаметром 10". По­этому с глубины 98 м скважина была продолжена вращатель­ным бурением станком РА-400 с промывкой глинистым раство­ром. До глубины 238 м бурение производилось шарошечными долотами диаметром 113/4" с направляющим фонарем диамет­ром 10".

Обсадная эксплуатационная колонна труб диаметром 10", спущенная в скважину, без препятствий достигла забоя. После обсадки окважины трубами диаметром 10" была произведена затрубная под давлением цементация. До проектной глубины скважина была добурена шарошечными долотами диаметром 93/4", а затем обсажена каркасной трубой диаметром 6".

Результаты бурения данной скважины с применением направ­ляющего фонаря позволяют сделать вывод о возможности обсад­ки труб смежных диаметров в скважинах вращательного буре­ния средней глубиной до 350 м.

Применение обсадных труб с тонкостенными муфтами по­зволит уменьшить начальный диаметр бурения и увеличить диа­метр эксплуатационной колонны, и фильтра; кроме того, намного сократятся расход металла и затраты на сооружение скважин.

Разглинизация стенок скважин

Недостаточный дебит и даже отсутствие воды в скважинах, пробуренных вращательным методом с применением глинистого раствора, объясняются главным образом неправильной подго­товкой окважины для опробования на водообильность.

Вращательное бурение скважин на воду в песках возможно только при условии применения глинистой промывки, так как вода не обеспечивает подъема выбуренных частиц породы на поверхность земли *, способствует размыву стенок скважины, сложенных слабыми породами, вызывает обвалы и приводит к прихвату бурильного инструмента.

После окончания бурения водоприемную часть скважины следует оборудовать сетчатым фильтром. До спуска фильтра не­обходимо находящийся в стволе скважины глинистый раствор повышенного удельного веса заменить более жидким (с удельным весом, не превышающим 1,15). Такая замена глинистого рас­твора не вызывает обвалов стенок скважины, но в дальнейшем (при тартании и откачках) способствует более быстрой и пол­ной разглинизации стенок.

Оборудовав ствол скважины сетчатым фильтром, нужно не­медленно начать промывку скважины водой, а затем тартание воды желонкой. Тартание создает вакуум в стволе скважины,

1 При иасосах малой производительности.

что вызывает приток воды из пласта в скважину и способствует вымыванию глинистого раствора, оставшегося в кольцевом про­странстве между фильтром и стенками скважины. Чем быстрее произойдет разглинизация, тем свободнее начнет притекать вода из пласта в скважину.

Рис. 11. Схема увеличения дебита скважины тартанием

На рис. 11 показана разведочно-эксплуатационная скважина, пробуренная на глубину 115 л« с применением глинистого рас­твора. Скважина пересекла водоносный горизонт, представлен­ный крупнозернистым песком, на глубине 47—65 м. В скважине был произведен электрокароттаж. Откачка эрлифтом при незна­чительном дебите скважины привела к значительному снижению статического уровня воды, что вызвало необходимость тартания воды желонкой. В результате тартания в течение 6—7 дней удельный дебит скважины увеличился в 20 раз.

Тартание скважин следует производить лишь до появления песка в растворе, извлекаемом из скважины. Появление песка указывает на освобождение кольцевого пространства за сетча­тым фильтром от глинистого раствора и, следовательно, на воз­можность пробной откачки. Продолжение тартания может при­вести к засорению ствола скважины песком.

Очень часто тартание приводит к быстрому осушению сква­жины. Это означает, что глинистый раствор уплотнился в коль­цевом пространстве за сетчатым фильтром и препятствует дви­жению воды из пласта в ствол скважины. В этом случае сле­дует доливать в скважину воду.

Полезно также производить тартание желонкой без подъема воды на поверхность земли. При сильной глинизации целесооб­разно производить свабирование, так как при этом создается сильный вакуум в стволе скважины. По окончании тартания нужно немедленно начать пробную откачку воды эрлифтом. При незначительном дебите скважины в процессе пробной откачки и резком снижении статического уровня откачку следует произво­дить с одновременным доливом воды в скважину.

Проиллюстрируем это примером. Предположим, что скважи­на бурением закончена, стенки водоносных песков заглинизи — рованы и препятствуют свободному притоку воды из пласта в скважину. В этом случае при данной расчетной глубине погру­жения сопла воздушных труб в скважину эрлифт будет рабо­тать с перерывами.

Сжатый воздух выбросит на поверхность земли воду, затем наступит перерыв, в течение которого поступающая из пласта в осушенный ствол вода будет двигаться вверх по скважине. Как только вода из пласта достигнет необходимой расчетной высоты, эрлифт вновь выбросит воду на поверхность земли, после чего уровень воды в скважине опять резко снизится и наступит перерыв. В данном случае будет иметь место неравенство:

(0

где <7 — количество воды, поступающее из пласта в ствол сква­жины {мъ! яас)

0_— производительность эрлифта (м3}час).

Совершенно очевидно, что идеальным условием для непре­рывной работы эрлифта будет равенство:

Я = <*. (2)

Следовательно, для непрерывной работы эрлифта в заглини — зированную скважину необходимо доливать воду.

Тогда формула (2) примет следующий вид-

Я + Ях = Я, (3)

где <7Х — количество воды, доливаемой в скважину.

Иными словами, для непрерывной работы эрлифта необхо­димо, чтобы количество воды, поступающей из пласта и доли­ваемой в скважину, было равно производительности эрлифта при данном расчетном динамическом уровне.

Следует отметить, что с течением времени величина q будет постепенно увеличиваться вследствие разглинизации пласта, а величина <71 должна соответственно уменьшаться. Наконец, на­ступит такой момент, когда <71=0, и формула (3) примет вид формулы (2).

Это будет момент непрерывной работы эрлифта без посторон­него вмешательства.

В скважинах, пробуренных в водоносных песках с примене­нием глинистого раствора, не удавалось получить воду только в том случае, когда к тартанию желонкой и пробной откачке приступали не сразу, а по истечении продолжительного коли­чества времени после спуска в скважину сетчатого фильтра. На­ходящийся за фильтром глинистый раствор успевал уплот­ниться, создавал прочную корку на фильтре и затем при проб­ных откачках препятствовал прониканию воды из пласта в скважину. Такие скважины приходилось даже консервировать как безводные.

Примером закупорки сетчатого фильтра осевшим и уплот­нившимся глинистым раствором может служить скважина, про­буренная на одной из станций Горьковской железной дороги. Основным источником водоснабжения станции является мощный аллювиальный водоносный горизонт, залегающий на глубине от 25 до 60 м от поверхности земли. Большое содержание железа в воде указанного горизонта быстро выводило скважины из строя вследствие ‘кольматации сетчатых фильтров. С целью раз­ведки нижележащих водоносных известняков была пробурена скважина глубиной 150 м. От поверхности земли до кровли из­вестняков, залегающей на глубине 80 м, бурение производилось с применением глинистого раствора. На эту глубину скважина была обсажена фильтровой колонной труб диаметром 12" с сет­чатым фильтром против аллювиальных водоносных песков.

Так как аллювиальные водоносные пески были хорошо изуче­ны, пробной откачки из них не производилось. Откачка была произведена лишь на глубине 150 м. Химический анализ воды показал, что она не пригодна для технических целей. Тогда сква­жина была углублена в известняках до 190 м, но вода оказалась еще худшего качества. Было решено возобновить эксплуатацию верхнего аллювиального водоносного горизонта, оборудованного сетчатым фильтром на глубине от 31 до 47,6 м Для этого в 28

скважину на глубину 75 м в трубы диаметром 12" была забита деревянная пробка, поверх которой был залит цементный рас­твор. Пробка и цементный раствор изолировали воды нижних известняков от вод верхних — аллювиальных.

При пробной откачке воды из верхних аллювиальных песков удельный дебит составил 0,5 м3/час.

Меры, принятые для увеличения удельного дебита скважины, не дали положительных результатов, в то время как в соседних скважинах ударного бурения удельный дебит воды из того же водоносного горизонта составил 22,5 м3/тс. Стало ясно, что такой низкий удельный дебит воды в скважине вращательного бурения явился результатом закупорки сетчатого фильтра уплотнившимся глинистым раствором. Скважина как безводная была законсервирована.

В случае, когда водоносные пески не содержат пропластков глины и изолированы от вышележащих пород обсадными тру­бами, очень важно сохранить максимальную разницу между конечным диаметром бурения £> и внешним диаметром сетчатого фильтра <1. Чем больше эта разница, тем легче произвести вы­мывание глинистого раствора из кольцевого пространства за фильтром и тем меньше сопротивление движению воды из пласта в скважину. И, наоборот, если водоносные пески чере­дуются с пропластками глин, разница между внешним диамет­ром фильтра (1 и конечным диаметром бурения И должна быть минимальной во избежание размыва пропластков глины, обва­лов ее и закупорки фильтра (рис. 12).

Комментарии запрещены.